CN105456002B - 一种能够实现正常步态型的康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现正常步态型的康复训练机器人，包括：减重支撑系统，左腿运动辅助系统与右腿运动辅助系统。左、右腿运动辅助系统分别于减重支撑系统左右侧相连，减重支撑系统通过绑带等部件与人体上半身相连，对康复训练对象进行部分减重。使用者脚部与运动辅助系统踏板相连，通过踏板引导脚部运动进而带动下肢运动完成康复训练动作。本发明的运动辅助系统包括一个由凸轮机构与七杆机构组合的复合机构，能够精确产生人体正常步态轨迹，且电机只需匀速驱动即可产生正常人体步态轨迹速度，满足了位置与速度要求，解决了现有设计轨迹速度实现困难的问题，减少了控制系统设计，增强了康复效果，减少了制造成本，适合推广在于一般家庭使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种康复医疗器械与锻炼器械领域的机器人，具体涉及一种能够实现正常人体步态轨迹与轨迹速度的步态康复训练机器人。
背景技术
近年来，随着老龄化社会的到来、镇化进程的加快、工业的不断发展、以及现代交通工具的广泛使用，我国患下肢功能障碍的人群逐年攀升，并需要得到治疗。经临床试验与相关理论可知，对于运动失能的人群而言，通过药物治疗与一定的手术治疗能够缓解患者的病情，但其效果有限，行走能力相对病前仍有较大差别，而重复的康复治疗能有效缓解病症，促进功能恢复。因此，欧美、日本等发达国家都以下肢重复运动训练为目标，研制了多种下肢康复训练机器人。这些机器人主要包括Lokomat、Auto-Ambulator、GaitTrainer等，这些机器人功能齐备，但系统复杂、控制困难、价格高昂难以在一般家庭得到广泛应用。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利号201010543205.6公开了“坐式外骨骼下肢康复机器人”，该机器人通过电机驱动脚部完成圆形轨迹运动，经由末端带动捆绑在外骨骼上的下肢完成康复训练动作，然而其圆形轨迹过于简单，与正常人体步态差距很大，康复效果欠佳。中国专利号201410073019.9公开了“一种家用小型的下肢康复锻炼机器人”，该机器人利用曲柄滑块机构连杆上一点产生了与人体步态类似的类椭圆轨迹，但仍与正常步态型有较大差别，尤其在轨迹速度方面相差较大。中国专利号201210277695.9公开了“一种通过绑缚脚与小腿带动人进行步态训练的装置”通过曲柄摇杆机构和连杆机构合成产生了一种上部为圆弧一部分，下部是近似直线的轨迹，在很大程度上逼近了步态轨迹，但其在轨迹速度方面只能通过电机控制实现。美国专利号US2011/0077562A1公开了“GAITTRAINING DEVICE”，该机器人通过Stephenson六杆机构实现了人体正常步态轨迹综合，但其轨迹速度需通过控制电机转速实现，增加了机器人复杂性与成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种能够实现人体正常步态型的康复训练机器人，使用本发明可以根据康复训练者的身体特征及康复理论进行设计，使其能够产生与康复训练对象相匹配的标准步态型，并通过脚部末端运动带动下肢运动，实现康复训练动作，进而达到更好的康复训练效果的目的。此外，该发明结构简单，且仅需电机匀速驱动即可满足步态轨迹速度需求，因而制造成本低、训练效果佳。除被动训练外，本发明还能够实现主动训练模式，以为不同康复训练对象完成适宜的康复训练模式。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种能够实现正常步态型的康复训练机器人，包括机架、动力装置和传动装置，所述机架的顶部设有减重支撑系统，所述机架的下部、且呈左右对称地设有两套均与所述传动装置相连的腿部运动辅助系统，所述机架的底部设有站立台；所述减重支撑系统包括与所述机架相连的支撑立柱，所述支撑立柱的顶部设有向前延伸的悬臂，所述悬臂的前端设有减震绳索，所述减震绳索上设有绑带连接杆，所述绑带连接杆的两端均设有一绑带；两套腿部运动辅助系统的结构相同；腿部运动辅助系统包括设置在所述机架一侧的扶手，所述扶手的下侧设有一个由一个凸轮机构和一个七杆机构构成的复合运动机构；所述凸轮机构包括由所述传动装置带动的曲柄上设有的沟槽凸轮，所述沟槽凸轮的沟槽内设有的凸轮滚子，以及与所述凸轮滚子铰接的推杆。所述七杆机构包括所述曲柄，与所述推杆固连的滑块，以及与所述滑块依次铰接的滑块连杆、第一三轴连杆、第二三轴连杆和连架杆，所述第一三轴连杆与所述曲柄相连，所述第二三轴连杆上铰接有踏板；所述滑块设置在一与机架固定的滑槽内；两套腿部运动辅助系统中的曲柄在安装时具有180°的相位差。
进一步讲，本发明能够实现正常步态型的康复训练机器人，其中，所述第一三轴连杆的三个铰接点分别与所述滑块连杆、第二三轴连杆和所述曲柄铰接。
所述第二三轴连杆的三个铰接点分别与第一三轴连杆、连架杆和所述踏板铰接。
两套腿部运动辅助系统的外侧均设有挡板。
所述凸轮机构用于控制七杆机构运动过程中踏板的轨迹。
本发明相对现有技术具有如下优点：本发明所述的机器人属于站立式康复训练机器人，该机器人避免了卧式与坐式康复训练机器人不能提供足底力的缺点，此外，更重要的是，本发明能够实现人体正常步态型，本发明踏板处产生的运动轨迹能够很好的接近正常人体步态轨迹及轨迹速度，较其他末端驱动机器人具有更好的康复性能。同时，本发明只需通过电机匀速驱动即可满足步态轨迹速度需求，减少了对电机速度进行控制部分的成本。相对外骨骼机器人而言，本发明通过脚部驱动，带动下肢完成康复训练动作，减少了驱动器数量及控制系统设计，能够有效降低机器人制造成本，从而具有较高的推广价值。
附图说明
图1是本发明康复训练机器人的整体结构示意图。
图2是本发明中减重支撑系统的结构示意图。
图3是本发明中腿部运动辅助系统结构的一侧面的结构示意图。
图4是图3所示腿部运动辅助系统结构的另一侧面的结构示意图。
图中：
1-减重支撑系统 2-右腿运动辅助系统 3-左腿运动辅助系统
10-支撑立柱 11-悬臂 12-减震绳索
13-绑带连接杆 14-绑带 15-箱体
16-扶手 17-安装架 18-挡板
19-站立台 20-滑槽 21-滑块连杆
22-连架杆 23-第二三轴连杆 24-第一三轴连杆
25-踏板 26-滑块 27-推杆
28-曲柄 29-凸轮滚子 28c-沟槽凸轮
A-曲柄的固定点
B-连架杆的固定点
H-踏板与第二三轴连杆铰接点的运动轨迹。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明一种能够实现正常步态型的康复训练机器人，包括机架、动力装置和传动装置，机架上设有用于放置动力装置的箱体15，所述动力装置可采用匀速电机，所述机架的顶部设有减重支撑系统1，所述机架的下部、且呈左右对称地设有两套均与所述传动装置相连的腿部运动辅助系统，所述动力装置通过传动装置与两套腿部运动辅助系统相连，为腿部运动辅助系统提供驱动力，所述机架的底部设有站立台19，站立台19与地面相连。
如图2所示，所述减重支撑系统1包括与所述机架相连的支撑立柱10，所述支撑立柱10的顶部设有向前延伸的悬臂11，所述悬臂11的前端设有减震绳索12，所述减震绳索12上设有绑带连接杆13，所述绑带连接杆13的两端均设有一绑带14，使用时，通过绑带14与人体上半身相连，为康复训练对象提供身体支撑，减小施加在下肢的受力，并起到一定的安全保护作用。
两套腿部运动辅助系统2、3的结构相同；如图3和图4所示腿部运动辅助系统包括设置在所述机架一侧的扶手16，扶手16可供康复训练对象在训练时用手部支撑，以保持身体的稳定性，如图2所示。所述扶手16的下侧设有安装架17，在该安装架17上设有一个由一个凸轮机构和一个七杆机构构成的复合运动机构；所述凸轮机构用于控制七杆机构运动过程中踏板的轨迹。
所述凸轮机构包括由所述传动装置带动的曲柄28上设有的沟槽凸轮28c，所述沟槽凸轮28c的沟槽内设有的凸轮滚子29，以及与所述凸轮滚子29铰接的推杆27，曲柄28在A点经轴承与转轴与机架相连。
所述七杆机构包括所述曲柄28，与所述推杆27固连的滑块26，以及与所述滑块26依次铰接的滑块连杆21、第一三轴连杆24、第二三轴连杆23和连架杆22，所述第一三轴连杆24与所述曲柄28相连，所述第二三轴连杆23上铰接有踏板25；即，所述第一三轴连杆24的三个铰接点分别与所述滑块连杆21、第二三轴连杆23和所述曲柄28铰接；所述第二三轴连杆23的三个铰接点分别与第一三轴连杆24、连架杆22和所述踏板25铰接。所述连架杆22的一端与所述第二三轴连杆23的一个铰接点铰接，所述连架杆22的另一端点B经轴承与转轴与机架相连。所述滑块26设置在一与机架固定的滑槽20内，所述滑块26可在滑槽20里面滑动。两套腿部运动辅助系统中的曲柄28在安装时具有180°的相位差。为了安全考虑，两套腿部运动辅助系统的外侧均设有挡板18，挡板18还可以起到遮挡的美观作用。两套腿部运动辅助系统(即左腿运动辅助系统3和右腿运动辅助系统2)通过机架与减重支撑系统1连接在一起，使用时，左、右腿运动辅助系统2末端的踏板25与人体两脚相连，从而引导康复训练对象脚部运动，进而带动康复训练对象腿部运动，完成下肢康复训练动作。
在康复训练过程中，曲柄28在动力装置和传动装置的带动下，产生旋转运动，曲柄28的转动一方面带动七杆机构运动，在踏板25与第二三轴连杆23的铰接点产生特定轨迹的运动，另一方面通过曲柄28上的沟槽凸轮28c转动推动凸轮滚子29沿推杆21方向移动，从而改变滑块26与曲柄转动中心A点之间的距离，经过沟槽凸轮28c对上述轨迹进行修正，使其更加接近正常人体步态型，图3和图4中H轨迹是一种步态轨迹，在电机匀速转动时，其速度也能够满足正常人体步态轨迹速度。右腿运动辅助系统2与左腿运动辅助系统3相同，具体不再赘述。康复训练对象左右脚踏在左右腿部运动辅助系统2,3的踏板25上，手部可扶在扶手16上，上半身经绑带14与减重支撑系统1相连，以减轻下肢承重。通过两个踏板的运动带动，使其踝关节与轨迹产生点重合，经由脚部运动带动大腿与小腿运动，进而完成康复训练动作。
本发明的左腿运动辅助系统3的机构尺寸可根据所需正常人体步态型(主要指轨迹速度，轨迹大小)进行设计调整，从而满足不同康复训练对象的训练要求。理论上讲，通过凸轮-连杆机构能够实现任意形状的轨迹，因此，在确定了机构各杆杆长之后即可通过运动学逆解得到凸轮形状。然而满足轨迹形状的凸轮形状并不唯一，其运动学性能也相差较大，此外还需满足轨迹速度要求，因此需要对机构各杆杆长进行优化设计，本发明利用最优化算法对机构杆长进行了优化，最终求得凸轮-连杆机构的具体尺寸。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种能够实现正常步态型的康复训练机器人，包括机架、动力装置和传动装置，所述机架的顶部设有减重支撑系统(1)，所述机架的下部、且呈左右对称地设有两套均与所述传动装置相连的腿部运动辅助系统(2、3)，所述机架的底部设有站立台(19)；其特征在于：
所述动力装置采用匀速电机；
所述减重支撑系统(1)包括与所述机架相连的支撑立柱(10)，所述支撑立柱(10)的顶部设有向前延伸的悬臂(11)，所述悬臂(11)的前端设有减震绳索(12)，所述减震绳索(12)上设有绑带连接杆(13)，所述绑带连接杆(13)的两端均设有一绑带(14)；
两套腿部运动辅助系统(2、3)的结构相同；
腿部运动辅助系统包括设置在所述机架一侧的扶手(16)，所述扶手(16)的下侧设有一个由一个凸轮机构和一个七杆机构构成的复合运动机构；
所述凸轮机构包括由所述传动装置带动的曲柄(28)上设有的沟槽凸轮(28c)，所述沟槽凸轮(28c)的形状是在确定了所述复合运动机构中各杆杆长之后通过运动学逆解得到；所述沟槽凸轮(28c)的沟槽内设有的凸轮滚子(29)，以及与所述凸轮滚子(29)铰接的推杆(27)；
所述七杆机构包括所述曲柄(28)，与所述推杆(27)固连的滑块(26)，以及与所述滑块(26)依次铰接的滑块连杆(21)、第一三轴连杆(24)、第二三轴连杆(23)和连架杆(22)，所述第一三轴连杆(24)与所述曲柄(28)相连，所述第二三轴连杆(23)上铰接有踏板(25)；所述滑块(26)设置在一与机架固定的滑槽(20)内；
所述凸轮机构用于控制七杆机构运动过程中踏板的轨迹H，即所述曲柄(28)在所述动力装置和传动装置的带动下，一方面带动七杆机构运动，所述踏板(25)与所述第二三轴连杆(23)的铰接点产生轨迹H的运动，另一方面通过所述沟槽凸轮(28c)推动凸轮滚子(29)沿所述推杆(21)方向移动，从而对上述轨迹H进行修正；
两套腿部运动辅助系统中的曲柄(28)在安装时具有180°的相位差。
2.根据权利要求1所述能够实现正常步态型的康复训练机器人，其特征在于：所述第一三轴连杆(24)的三个铰接点分别与所述滑块连杆(21)、第二三轴连杆(23)和所述曲柄(28)铰接。
3.根据权利要求1所述能够实现正常步态型的康复训练机器人，其特征在于：所述第二三轴连杆(23)的三个铰接点分别与第一三轴连杆(24)、连架杆(22)和所述踏板(25)铰接。
4.根据权利要求1所述能够实现正常步态型的康复训练机器人，其特征在于：两套腿部运动辅助系统的外侧均设有挡板(18)。
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